МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЦИРКАДИАННЫХ РИТМОВ И ПРИНЦИПЫ РАЗВИТИЯ ДЕСИНХРОНОЗА / Molecular Basis of Circadian Rhythms and Principles of Circadian Disruption

1. 5 УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК том 44 № 4 2013
ВВЕДЕНИЕ
Для живых организмов самого разного уровня
организации характерно наличие эволюционно-
обусловленной эндогенной циркадианной рит-
мичности. Каждая клетка млекопитающего пред-
ставляет собой потенциальный осциллятор, так
как в ней присутствуют необходимые элементы,
определяющие молекулярно-генетические меха-
низмы циркадианных биологических часов (БЧ),
которые могут быть активированы при тех или
иных условиях [32]. Однако, в отсутствие цикла
изменения внешней освещенности, БЧ испытыва-
ют свободно-текущий, или фазово-дрейфующий
характер с периодом, отличным от точного значе-
ния = 24 ч. Отклонения периода ритма возможны
в диапазоне 24±4 часа (откуда и появилось пред-
ставление о циркадианной, или околосуточной
ритмичности) [29, 74, 127]. Причем направление
сдвига в ту или иную сторону от 24 ч зависит от
уровня внешней освещенности и по мере ее уве-
личения у видов с дневным и ночным типом ак-
тивности, изменяется разнонаправлено, согласно
правилу Ашоффа [30]. Циркадианные ритмы у
видов с дневным типом активности зачастую не
подчиняются классическому правилу. Для мно-
гоклеточных животных по мере усложнения их
уровня организации возрастает значение регули-
рующих общую гармонию ритмов центральных
осцилляторов, но в то же время и усложняются
механизмы поддержания ритмических процессов
в периферических тканях и органах. В настоящее
время большинством ученых поддерживается
концепция мультиосцилляторной модели регу-
ляции циркадианной системы млекопитающих
с центральным осциллятором в супрахиазма-
тических ядрах гипоталамуса (СХЯ) и главным
гуморальным модулятором – эпифизом, осуще-
ствляющим свою хронобиотическую функцию
посредством “гормона ночи” мелатонина. Одна-
ко периферические механизмы регуляции цир-
кадианных процессов в органах и тканях также
заслуженно привлекают к себе возрастающее
внимание [81, 102, 155]. Циклические процессы,
наблюдаемые от молекулярного до биосферного
уровня, сегодня рассматриваются как “общезна-
чимое, абсолютное, инвариантное, что заложено,
как в каждой живой системе, так и в неживых
объектах” [19, 20, 117, 135]. Универсальность
принципа цикличности в системной организации
организма позволяет по-новому взглянуть как на
механизмы формирования десинхронизации био-
химических и физиологических функций, так и
на развитие заболеваний [19] и процесс старения
[68]. В настоящем обзоре проанализированы со-
временные данные о молекулярно-генетических
механизмах, лежащих в основе циркадианной си-
стемы в целом. Обобщены результаты исследова-
ний о фенотипических проявлениях амплитудно-
фазовых нарушений ритмически протекающих
процессов на уровне генома – транскриптома и
протеома. Обсуждается многообразие пагубных
для здоровья последствий системной десин-
хронизации. Обоснована модель возникнове-
ния стохастических гармоник биохимических и
физиологических процессов, обнаруживаемых
УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2013, том 44, № 4, с. 65–87
УДК 612.014.3+612.014.4+612.06
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЦИРКАДИАННЫХ РИТМОВ
И ПРИНЦИПЫ РАЗВИТИЯ ДЕСИНХРОНОЗА
© 2013 г. Д. Г. Губин
ГБОУ ВПО Тюменская государственная медицинская академия
В обзоре рассмотрены современные представления о молекулярно-генетических механизмах,
лежащих в основе циркадианной системы. Обобщены данные о фенотипических проявлениях
амплитудно-фазовых нарушений ритмически протекающих процессов на уровне генома – транс-
криптома и протеома. Обсуждается многообразие пагубных для здоровья последствий систем-
ной десинхронизации. Предложена модель экстрациркадианной диссеминации физиологических
функций организма как общего проявления десинхроноза на фенотипическом уровне.
Ключевые слова: циркадианные ритмы, гены биологических часов, десинхроноз, геном, транс-
криптом, протеом, хронобиология, хрономедицина, экстрациркадианная диссеминация.

2. УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК том 44 № 4 2013
66 ГУБИН
при различных стрессовых и патологических
состояниях, а также в процессе старения. Воз-
никающее на фоне десинхронизации снижение
циркадианной амплитуды ритмов разнообразных
физиологических, биохимических и поведенче-
ских функций, наблюдаемых в фундаментальных
и клинических исследованиях (фенотипических
ритмов), сопровождается ростом ультра- и (или)
инфрадианных колебаний, как правило, носящих
нерегулярный характер их амплитуд и фаз. Такое,
наиболее общее проявлений системной десинхро-
низации получило название “экстрациркадианная
диссеминация” (ЭЦД). ЭЦД рассматривается как
наиболее общее проявления десинхроноза на фе-
нотипическом уровне.
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
БИОЛОГИЧЕСКИХ ЧАСОВ:
ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ
В 90-е гг. прошедшего века были описаны ос-
новные принципы работы БЧ на молекулярно-ге-
нетическом уровне. Ключевые гены БЧ млекопи-
тающих включают в себя ген Bmal, работающий
в паре с геном Clock, семейство генов Per (их
разновидности: Per1, Per2, Per3) и гены Cry (их
разновидности: Cry1, Cry2 – кодирующие белки
криптохромы), но имеются также и некоторые
другие, активность которых влияет на ключевые
гены, либо подконтрольны им (последние носят
название “clock-controlled genes”, далее “ccg”).
Ключевые гены БЧ млекопитающих: Clock, Bmal,
Per и Cry. Гены Clock/Bmal составляют пози-
тивное звено петли обратной связи, а гены Per/
Cry – негативное её звено. Для проявления сво-
ей функциональной активности белковые про-
дукты генов: CLOCK/BMAL и PER/CRY должны
образовать между собой пары – гетеродимеры,
первая (CLOCK/BMAL – проявляющая функцию
активаторов транскрипции генов второй пары
только после своей димеризации) и вторая (PER/
CRY – входящая в ядро и тормозящая транскрип-
цию первой пары генов также только после своей
димеризации) [155]. Отдельные белки сами по
себе неспособны проявлять функциональную
активность в качестве БЧ. Следует заметить, что
в СХЯ м-РНК и соответствующие белки BMAL,
PER и CRY образуются ритмично, в определен-
ные фазы суточного цикла, тогда как продукция
м-РНК и белка CLOCK происходит постоянно
[113] (рисунок). Акрофаза транскрипции BMal
м-РНК приходится на середину-вторую половину
темновой фазы суток, а соответствующего бел-
ка – на ранние утренние часы.
Белки-активаторы BMAL1 и CLOCK связы-
ваются с регуляторным участком ДНК E-бокс
(E-box) – специфическим гексануклеотидным
(CACGTG/T) фрагментом промотора, распознаю-
щим “стартовый” транскрипционный фактор
БЧ – белковый гетеродимер CLOCK/BMAL1, при
этом включаются в работу гены Per и Cry. Для
обеспечения функциональной активности гетеро-
димера CLOCK/BMAL1 (начала экспрессии Per и
Cry) требуется предварительное ацетилирование
хроматина [53], за счет чего создается кратко-
временное “циркадианное окно”, чем обеспечи-
вается тонкая подстройка фазы БЧ. Ритмически
протекающие процессы ацетилирования, деаце-
тилирования и метилирования гистонов вносят
существенный вклад в регуляцию циркадианной
ритмичности в целом [136]. Любопытно, что белок
CLOCK обладает самостоятельной способностью
выступать в качестве гистон-ацетилтрансферазы
и осуществляет своего рода партнерскую помощь
своему димеру BMAL1, участвуя в ацетилирова-
нии его хроматина [83]. Через 2 часа после акти-
вации часовых генов негативного звена в клетке
наблюдается пик концентрации соответствующих
Две основные петли обратной связи клеточных БЧ.

3. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЦИРКАДИАННЫХ РИТМОВ 67
УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК том 44 № 4 2013 5*
м-РНК, а к послеполуденному времени (середи-
не световой фазы при лабораторных условиях)
накапливается максимальное количество белков
PER и CRY.
Эти белковые молекулы сначала сосредотачи-
ваются в клеточной цитоплазме где, примерно
в течение 4-х ч, их концентрация достигает по-
рогового уровня, достаточного для образования
PER-комплекса (PER/CRY), состоящего из трех
белков PER и двух белков CRY, что приходится
уже на вечерние часы, после чего они постепен-
но транспортируются в ядро. Там активность
комплекса PER/CRY направлена на подавление
функций гетеродимера BMAL1/CLOCK путем об-
разования с ними сложной конструкции с привле-
чением дополнительных факторов ингибирова-
ния транскрипции, что впоследствии приводит и
к блокировке генов Per и Cry. Так, репрессия гена
Per1 обусловлена привлечением комплекса SIN3-
HDAC3 (регулятор транскрипции SIN3 + гистон-
деацетилаза 3) [51]. В репрессии Per2 вероятно
задействована HDAC1, гистон-деацетилаза 1 [48].
Затем белки PER и CRY постепенно распадают-
ся, (при участии механизмов фосфорилирования
и убиквити нирования, более подробно обсуж-
даемых далее), а белки BMAL1 и CLOCK вновь
образуются, чтобы начать очередной суточный
цикл в клетке – включить часовые гены Per и Cry.
Большой интерес для понимания ежесуточного
рестарта БЧ представляет недавно открытый ме-
ханизм активации генов Per, в частности Per2,
использующий фактор транскрипции JARID1α,
блокирующий активность HDAC1 и запускаю-
щий ацетилирование гистонов, облегчая доступ
димера CLOCK/BMAL к промотору Per2 [14].
Вторая, своего рода страховочная [155], петля
отрицательной обратной связи у млекопитающих
обусловлена конкурентным и разнонаправлен-
ным взаимодействием белков REV-ERBα и RORA
с элементом RORE (retinoic acid-related orphan
receptor response element) – распознающим уча-
стком промотора гена BMal [162]. Первый белко-
вый продукт, REV-ERBα, – член семьи ядерных
рецепторов REV-ERB, связываясь с промоторным
участком BMal, препятствует его транскрипции.
Такое супрессорное воздействие REV-ERBα
опосредовано привлечением комплекса NCoR/
HDAC3 (ядерный корепрессор + гистон-деаце-
тилаза 3) [180]. Акрофаза образования белков
REV-ERBα приходится на середину световой
фазы суток. Таким образом, REV-ERBα замедляет
образование м-РНК и белков BMAL, отодвигая их
акрофазы соответственно – на ночные и ранние
утренние часы. Второй белковый фактор семьи
ядерных рецепторов, RORA (ретиноидный орфа-
новый рецептор альфа) взаимодействуя с тем же
промоторным участком BMal (RORE), выступает
в качестве активатора его транскрипции [144].
Гетеродимер CLOCK/BMAL, в свою очередь, спо-
собствует транскрипции гена rev-erbα, замыкая
контур обратной связи второй цепи (см. рисунок).
У животных, лишенных гена rev-erbα (rev-erbα-/-),
при содержании их в постоянной темноте, наблю-
дается ускорение циркадианной ритмичности:
существенное укорочение значения циркадиан-
ного периода, Tcd (Tcd < 24 ч) и атипичный ха-
рактер подстройки фазового ответа на световой
стимул [129]. Среди прочих, наиболее важных и
обстоятельно изученных ccg можно отметить те,
что также как и rev-erbα запускаются гетеродиме-
ром CLOCK/BMAL, так как несут E-бокс в своих
промоторах. Это, например, такие гены и их бел-
ковые продукты как Dbp (синтезирующий реком-
бинантный, связанный с промотором альбумина
белок D, site albumin promoter-binding protein D) и
Avp (синтезирующий аргинин-вазопрессин) [88].
В регуляции экспрессии генов обеих цепей не-
маловажную роль играет NAD+
-зависимая деаце-
тилаза гистонов SIRT1 (сиртуин 1). По существу
SIRT1, являясь одной из разновидностей HDAC,
выступает как противовес ацетил-трансферазной
активности CLOCK. Деацетилазная активность
SIRT1 в печени характеризуется циркадианной
ритмичностью раннего вечернего типа [121].
Кроме того, существует опосредованное деацети-
лированием самих белков BMAL1 и PER2, участие
SIRT1 в подстройке хода БЧ путем модуляции экс-
прессии и амплитуды ритмов транскрипции Cry1
и самих Bmal1 и Per2 [31, 34].
Мутации в ключевых генах БЧ приводят к опре-
деленным изменениям параметров циркадианных
ритмов (амплитуды, фазы, периода). Так, мутация
гена BMal наиболее разрушительна и приводит к
утрате циркадианного ритма. По сути, мутации,
выводящие из работы ген BMal, “выключают”
и клеточные часы [38], нарушая циркадианную
ритмичность не только в центральном осцилля-
торе СХЯ, но и на периферии – в печени, почках
и скелетной мускулатуре. Мутации гена Clock,
затрагивающие синтез белка CLOCK и процесс
димеризации, влекут за собой удлинение перио-
да циркадианного ритма (Тcd > 24 часов) вплоть
до крайних значений циркадианного диапазо-
на у мутантных гомозигот, T = 28 ч [26], а при
постоянном уровне освещенности, например,
при постоянном тусклом свете, – утрату ритма.
Мутации, либо нокаут генов Per 1,2,3 вызывают
сокращение периода (Тcd < 24 часов) соответ-
ственно – на ∼60, ∼90 и ∼30 минут, снижение ам-
плитуды разной степени выраженности (наиболее

4. УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК том 44 № 4 2013
68 ГУБИН
существенны при мутациях Per2). Мутации генов
Cry имеют различные последствия: изолирован-
ная мутация гена Cry1 приводит к сокращению
периода (Тcd < 24 часов), изолированная мутация
гена Cry2 – к удлинению периода (Тcd > 24 ч), од-
новременная мутация в обоих генах Cry – к утрате
циркадианного ритма [165].
Следует заметить, что некоторые мутации в гене
Clock могут быть компенсированы при сохранной
структуре белкового транскрипционного фактора
NPAS2 (нейронального белка, содержащего до-
мен PAS) [45], способного замещать функцию
CLOCK в образовании гетеродимера с BMAL,
но, по-видимому, только в нейронах СХЯ. В пе-
риферических тканях отсутствие белка CLOCK
приводит к ожидаемым нарушениям экспрессии
основных генов БЧ [43–45]. Кроме того, мутации,
нарушающие образование фактора транскрипции
JARID1α, участвующего в рестарте очередных
циклов БЧ также способны приводить к сокраще-
нию Tcd [48].
ВЛИЯНИЕ ФОТОПЕРИОДИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ
Кроме внутреннего механизма поддержания
автоосцилляций, БЧ снабжены молекулярными
механизмами внешней подстройки их хода. Здесь
первостепенную роль играет световой фактор,
действующий в момент низкой освещенности
(условной темноты). Воздействие светом доста-
точной освещенности “сбрасывает” настройки
клеточных БЧ в центральном осцилляторе, что
важно для механизмов синхронизации (англ.
entrainment) биологических процессов на раз-
ных уровнях организации. Короткие световые
импульсы, воздействующие во время темновой
фазы, способны, в конечном счете, увеличивать
амплитуду экспрессии Per1 и Per2 м-РНК, но,
по-видимому, не оказывают влияния на амплитуду
и средний уровень экспрессии Per3 и Cry м-РНК
[124, 185]. Гены Per1 и Per2 по существу являют-
ся ответственными за сброс и ресинхронизацию
БЧ как под действием светового сигнала, так и
синхронизирующих факторов нефотопериодиче-
ской природы. Причем, не зависимо от природы
синхронизатора, СХЯ требуется около 2 ч, чтобы
произошла ресинхронизация хода БЧ [35]. Важ-
но заметить, что импульсное, одномоментное и
тоническое, долговременное воздействие света
в темновую фазу, как правило, имеют различные
физиологические последствия.
Световые сигналы воздействуют на транс-
крипционные процессы БЧ посредством
CREB-зависимого механизма (CREB, Ca2+
/cAMP
response binding protein, транскрипционный
фактор, связывающийся с распознающим его
участком ДНК CRE, cAMP-response element, эле-
ментом, отвечающим на воздействие цАМФ).
Примечательно, что транскрипционный фактор
CREB задействован также во многих процессах,
взаимосвязанных с деятельностью нервной си-
стемы и представляющих большой интерес для
хронобиологии. В частности созревании, диф-
ференцировке и функциональной активности
нейронов, механизмах памяти, адаптивном пове-
дении в целом [166]. Одной из точек приложения
активности CREB является генетический локус,
определяющий транскрипцию нейронных микро-
РНК (в частности, miR-132/212). О важной роли
первой из них, miR-132 в регуляции циркадиан-
ных БЧ будет далее сказано подробнее.
Поступление внешнего светового сигнала на
сетчатку также необходимо для экспрессии генов
Per1 и Per2 посредством MAP-киназного механиз-
ма (каскада митоген-активируемых протеинки-
наз, MAPK/ERK – цепи взаимодействующих друг
с другом белков, добавляющих соседним фосфат-
ные группы с конечной целью передачи сигнала
с поверхности клетки на ДНК) [146]. В свою
очередь в регуляции MAP-киназного механизма
существенную роль играет белок-ингибитор еще
одной киназы (Raf-киназы, от Raf – “rapidly accel-
erated carcinoma”). Поступление светового сигна-
ла запускает в СХЯ процесс фосфорилирования
RKIP (Raf kinase inhibitor protein) – белка ингиби-
тора вследствие чего данный белок отщепляется
от Raf-киназы [27]. RKIP важен для регуляции
скорости ответа на световые стимулы в виде
ускорения, либо замедления фазовой подстройки
физиологических и поведенческих ритмов. При
нокауте у мышей данного гена (RKIP−/−
) инду-
цируемая светом активность звена ERK в СХЯ
оказывается пролонгированной в начале и конце
темновой фазы, что на фенотипическом уровне
выражается соответственно в фазово-запазды-
вающем, либо фазово-ускоряющем воздействии
внешнего светового сигнала [27].
Таким образом, процесс транскрипции ключе-
вых генов, основанный на механизме отрицатель-
ной обратной связи, предстает ведущим фактором
в работе клеточных БЧ и в определении скорости
их хода [47], и, следовательно, значения Tcd. Од-
нако, циркадианная ритмичность характерна как
для процессов транскрипции, так и для этапов
процессинга м-РНК, а также для пост-трансля-
ционных механизмов. На уровне протеома доля
процессов, обладающих отчетливой циркадиан-
ной ритмичностью – наибольшая [133]. В ряде

5. УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК том 44 № 4 2013
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЦИРКАДИАННЫХ РИТМОВ 69
экспериментальных и модельных исследований
выявлены интересные факты, благодаря которым
становится очевидным, что для циркадианных
ритмов на белковом уровне, не всегда обязатель-
но существование ритмических процессов на
предшествующих этапах экспрессии [183].
ПОСТ-ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ
МЕХАНИЗМЫ
Пост-транскрипционный контроль динамики
ключевых генов БЧ осуществляется разнонаправ-
лено. Тот факт, что период полураспада м-РНК ге-
нов БЧ, например, Per в течение суток меняется,
известен сравнительно давно [151]. В частности,
стабильность семейства Per и Cry1 м-РНК наи-
большая в начале активной фазы их образования
и затем постепенно снижается [151, 171–172].
Этапы экспрессии ключевых часовых и подкон-
трольных им (ccg) генов находятся под влиянием
разнообразных факторов. Среди этих факторов
нельзя не отметить роль РНК связывающих бел-
ков (RNA-binding proteins, RBP). Один из таких
белков, LARK (англ. “жаворонок”), обнаружен-
ный в частности у насекомых и млекопитающих
тесно связан с активной трансляцией белка PER1,
ритмы их продукции в СХЯ мышей синхронизи-
рованы [99], при этом, способствуя трансляции
указанного белка, LARK (в отличие от miРНК)
не оказывает непосредственного влияния на
уровень Per м-РНК. Механизм действия LARK до
конца не изучен. Предполагается, что он может
инициировать трансляцию посредством взаимо-
действия с участком внутренней посадки рибо-
сомы (IRES, internal ribosome entry site) [106], за
счет этого начало трансляции может быть начато
без сканирования большей части 5'-нетрансли-
руемой области (НТО) м-РНК, типичного для
трансляции большинства м-РНК. Помимо LARK
существует группа так называемых hnRNP (гете-
рогенных ядерных рибонуклеопротеидов), среди
которых в регуляции циркадианного транскрип-
тома принимают активное участие hnRNP I,
hnRNP D и hnRNP Q. Любопытно, что hnRNP I
способен курсировать между ядром и цито-
плазмой таким образом, что его концентрация в
цитоплазме циклична, тогда как общая концен-
трация hnRNP I в клетке лишена циркадианного
ритма [95].
Воздействие hnRNP I на экспрессию часовых
генов двояко: связываясь с 3’-НТО Per2 м-РНК,
он обусловливает ее деградацию [172], тогда как,
взаимодействуя с участком IRES rev-erbα м-РНК,
инициирует трансляцию последней [96]. Однако,
эффект от второго взаимодействия по-видимому
незначителен в отличие от воздействия hnRNP I
на Per2 м-РНК, что следует из наблюдений, что
уровень hnRNP I противофазен уровню экспрес-
сии обеих этих м-РНК и их белков. Действие
hnRNP D подобно эффекту hnRNP I на Per2 с
той лишь разницей, что его мишенью является
3’-НТО Cry1 м-РНК [171]. Содержание в цито-
плазме hnRNP D также находится в противофа-
зе уровню м-РНК Cry1. Таким образом, основ-
ная функция рибонуклеопротеидов hnRNP I и
hnRNP D, по-видимому, состоит в противодей-
ствии образованию белкового гетеродимера PER/
CRY в негативном звене петли обратной связи
основных часовых генов на уровне их м-РНК.
Следовательно, можно предположить и участие
двух данных рибонуклеопротеидов в замедлении
хода БЧ и увеличении значения Tcd.
Что касается роли третьего из названых ри-
бонуклеопротеидов (hnRNP Q), то здесь имеет
место принципиально иной механизм участия в
регуляции циркадианной ритмичности. Образова-
ние hnRNP Q в клетке происходит ритмично, а ми-
шенью служит участок IRES 5’-НТО м-РНК арил-
алкиламин-N-ацентилтрансферазы (AA-NAT),
что способствует трансляции данного белка [96].
В свою очередь, AA-NAT является ключевым
ферментом синтеза мелатонина – важнейшего
компонента системной гуморальной регуляции
циркадианной ритмичности физиологических,
биохимических и клеточных процессов.
РОЛЬ МИКРОРНК
Созревание miРНК происходит подобно созре-
ванию м-РНК. Незрелые предшественники miРНК
также транскрибируются, подвергаются кэпиро-
ванию, аденилрованию и сплайсингу. MiРНК на-
резаются в цитоплазме ферментом Dicer из более
длинной (≈65 нт.) молекулы pre-miРНК (prema-
ture, незрелой), которая является двухцепочечной
(дцРНК) и имеет форму шпильки. Последние, в
свою очередь, образуются из ядерных pri-miРНК
(primary, первичных), после взаимодействия их с
эндонуклеазой Drosha. Оба фермента, участвую-
щих в созревании miРНК принадлежат к семей-
ству РНКаз III, обладающих эндонуклеазной ак-
тивностью по отношению к дцРНК. Изначально,
вновь образовавшаяся miРНК представляет собой
двухцепочечный дуплекс, но затем при связыва-
нии со специфическим белком Ago (из группы
белков Argonaute) с образованием комплекса
RISC (RNA-induced silencing complex), вторая цепь
утрачивается и деградирует.

6. УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК том 44 № 4 2013
70 ГУБИН
Интерференция miРНК в работу м-РНК мо-
жет осуществляться на различных структурных
участках последней (главным образом в 3’-НТО,
а также 5’-НТО, в процессе деаденилирования
хвостовой части, или же “де-кэппинга” (“снятия
шапочки”) с головного конца м-РНК, что делает
м-РНК уязвимой к действию 5’-экзонуклеаз) [61,
118, 174]. В некоторых случаях miРНК способны
играть нетипичную для себя роль стимуляторов
процессатрансляции[164].Урастенийвбольшин-
стве случаев miРНК полностью комплементарны
м-РНК мишеням и вызывают их деградацию, у
животных – часто не полностью комплементар-
ны м-РНК мишеням и вызывают репрессию их
трансляции [18]. Вероятно, miРНК также могут
взаимодействовать непосредственно с ДНК генов
в процессе РНК-зависимого метилирования ДНК,
которое является одним из ключевых механизмов
репрессии генов, аллельного исключения и пред-
отвращения активности транспозонов [4].
Последние работы по изучению многообраз-
ных ролей miРНК показали принципиальную
важность их участия в регуляции циркадианных
ритмов на посттранскрипционном уровне [39,
123; 15, 78]. Оказалось, что разнообразные miРНК
выполняют посреднические функции между
транскрипционными и посттрансляционными
процессами как на уровне центрального осцил-
лятора млекопитающих (СХЯ), так и локально, в
тканях различных органов. Будучи регуляторами
скорости синтеза клеточных белков, miРНК тем
самым способны модулировать как значение Tcd,
так и реактивность фазово-зависимого ответа БЧ
на воздействие света.
В СХЯ млекопитающих ключевая роль принад-
лежит двум разновидностям miРНК – miR-132 и
miR-219. При этом продукция miR132 является
светозависимой, тогда как продукция miR-219 –
нет [39]. В то же время, только ген miR-219 несет
на себе участок E-бокс. Таким образом, miR-219 –
является компонентом системы ccg генов – ее
суточная динамика синхронна с динамикой Per1
и Per2 м-РНК (с акрофазой в первой половине
светового отрезка суток) и, очевидно, также за-
пускается гетеродимером CLOCK/BMAL1. В свою
очередь, продукция miR-132 является CREB – за-
висимой и усиливается при воздействии свето-
вого сигнала достаточной интенсивности в тем-
новую фазу суток. По всей видимости, miR-219
играет свою роль в регуляции значения Tcd, тогда
как miR-132 – в подстройке фазового ответа на
световые сигналы.
Эксперименты in vivo с воздействием так на-
зываемых “антагомиров” (антисмысловых оли-
гонуклеотидов – антагонистов miR – коротких
фрагментов miРНК, комплементарных miR, свое-
го рода “ингибиторов для ингибиторов”) позво-
лили конкретизировать механизмы регуляции БЧ
СХЯ двумя данными разновидностями miРНК.
Принимая во внимание двойной отрицательный
эффект при воздействии антагомиров, направле-
ния изменения параметров БЧ после воздействия
ими будут характеризовать механизм действия
м-РНК – мишеней для miR и (или) их белковых
продуктов. Характер воздействия самих miR на
БЧ будет противоположным по своей направ-
ленности. Таким образом, было установлено,
что miR-219 оказывает мягкий ускоряющий БЧ
эффект, слегка уменьшая значение Tcd (на 10–
20 мин), тогда как miR-132, снижает чувстви-
тельность БЧ к воздействию внешних световых
импульсов в темное время суток и, играя роль
своеобразных “шторок”, по-видимому, снижает
амплитуду физиологических ритмов. Что каса-
ется непосредственных мишеней для данных
miR, то ими, могут являться м-РНК в определен-
ных нейронах СХЯ. Так как СХЯ содержат как
специализирующиеся на подстройке периода,
“пейсмейкерные нейроны”, так и специализи-
рующиеся на синхронизации к внешним свето-
вым сигналам, “entrainment-нейроны” [23, 109]
то, по-видимому, miR-219 работает главным об-
разом в первых, а miR-132 – во вторых.
Непосредственный механизм действия miR-
219 и miR-132 на конкретные мишени, опреде-
ляющие ход БЧ, подлежит дальнейшему изуче-
нию. Вероятно, он имеет комплексный характер.
В частности в одной из последних работ было
показано, что эффект miR-132 на экспрессию
генов семейства Per является непрямым, а опо-
средован ее влиянием на м-РНК других генов,
участвующих в моделировании структуры хрома-
тина (Mecp2, Ep300, Jarid1a) и регуляции транс-
ляционных процессов (Btg2, Paip2a). Последние,
в свою очередь, действуют разнонаправлено:
белок MeCP2 активирует транскрипцию Per1 и
Per2, тогда как белки PAIP2A и BTG2 ускоряют
деградацию Per м-РНК, препятствуя трансляции
белка PERIOD [24].
Сравнительно недавно стало известно, что
активность значительной части miРНК либо при-
урочена к определенным этапам онтогенеза, либо
является ткане- и органоспецифической [170].
По отношению к miРНК, участвующим в работе
БЧ это также справедливо. Ткани печени и почек
способны поддерживать циркадианный ритм
функционирования метаболических процессов
при отсутствии сигналов от СХЯ [73]. Так, около
13% среди всех изученных методом микрочипов

7. УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК том 44 № 4 2013
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЦИРКАДИАННЫХ РИТМОВ 71
микроРНК печени мыши [119] обладают цирка-
дианной ритмичностью. В то же время, около
70% среди всех miРНК печени составляет miR-
122, которую можно считать специфической для
данного органа [101]. Любопытно, что структура
зрелой miR-122 обладает удивительной 100%-
ной консервативностью среди изученных позво-
ночных [59], тогда как их pri-miR-122 идентич-
ны только среди млекопитающих. В последних
работах показано участие miR-122 во многих
ритмически протекающих функциях печени у
млекопитающих, ее роль в регуляции амплиту-
ды и фазы циркадианных ритмов на органном
уровне. Транскрипция miR-122 взаимосвязана с
белковым фактором REV-ERBα – универсальным
репрессором для многих, работающих в цирка-
дианном ритме генов, включая основные гены
БЧ. Областью приложения активности фактора
REV-ERBα служат уже упоминавшиеся распо-
знающие элементы промотора (RORE), обна-
руженные в промоторах ряда часовых генов,
например BMal1 и ему подобных [162]. Участок
промотора гена miR-122 также содержит элемент
RORE. Взаимодействуя с ним, REV-ERBα блоки-
рует транскрипцию pri-miR-122, акрофаза REV-
ERBα у мышей приходится на вторую половину
светового отрезка суток, что соответствует бати-
фазе pri-miR-122 и pre-miR-122 [129, 162]. Допол-
нительным подтверждением этой взаимосвязи
служит и тот факт, что при нокауте гена rev-erbα,
амплитуда циркадианного ритма pri-miR-122 зна-
чительно снижается, а средний уровень ее про-
дукции повышается в 1,6 раза [58].
Примечательно, что образование pri-miR-122
и pre-miR-122 происходит синхронно в циркади-
анном ритме с акрофазой, приходящейся на ко-
нец темновой фазы суток, ритм имеет высокую
амплитуду: пиковые значения превосходят мини-
мальные в 4–10 раз. Эти предшественницы miR-
122 очень неустойчивы: их период полураспада
в 400 раз короче, чем у зрелой miR-122, которая,
возможно, именно по причине своей стабильно-
сти, не имеет выраженной циркадианной ритмики.
Однако отсутствие выраженного циркадианного
ритма содержания miR-122 в клетке не мешает
ей влиять на циркадианные ритмы трансляции
белков основных генов БЧ и на циркадианные
ритмы метаболических процессов в печени, что
может быть обусловлено тремя причинами [58].
Во-первых, наличием альтернативных мишеней
miR-122, концентрация которых не является кон-
стантной. В этом случае, постоянно происходя-
щая репрессия трансляции ряда м-РНК может су-
щественно увеличить амплитуду циркадианного
ритма соответствующих белков. Биологический
смысл такого явления может состоять в “удале-
нии шумов”: снижении доли стохастических ко-
лебаний, непременно возникающих при низком
уровне транскрипции, тогда как одновременное
образование тормозящего фактора (miR-122)
способно обеспечить более четкую ритмичность
экспрессии гена [40, 105]. Во-вторых, существо-
ванием короткоживущих субпопуляций miR-122
с разными мишенями (так, при формировании
RISC структура miR может быть преобразована
альтернативными способами, или из-за различ-
ной концентрации модификаций miR-122 в тех
или иных органоидах клетки). Следует учитывать
и вероятную роль открытого недавно механизма
3’-аденилирования miРНК в цитоплазме клетки
[93]. И, наконец, третий механизм состоит в том,
что участие только вновь образованных, “све-
жих” RISC miR-122 оказывает влияние на цир-
кадианную ритмичность “подшефных” м-РНК.
В этом случае быстро совершающееся их взаимо-
действие с мишенями miR-122 будет определять
амплитудно-фазовые характеристики и размах
колебаний продукции конечных белков. В печени
и почках наблюдается высокий уровень экспрес-
сии еще двух разновидностей miРНК – miR-192
и miR-194 [158]. В одной из работ, проведенной
на культуре долгоживущих клеток HeLa (выде-
ленных из раковых клеток пациентки Henrietta
Lacks в 1951 г. и широко используемых сегодня
в научных исследованиях в области онкологии)
с использованием технологии внедрения с по-
мощью ретровирусных векторов генетического
кластера miR-192/194 было показано, что данные
miРНК обладают способностью ингибировать
все три гена семейства Per [120]. В данной ра-
боте приводятся также аргументы в пользу того,
что и эндогенно продуцируемые miR-192 и miR-
194 подавляют синтез белков семейства PER, за
счет чего возможен эффект мимикрии мутаций
в соответствующих часовых генах – сокращение
значения Tcd (Тcd < 24 час).
Еще одной, также, по-видимому, тканеспе-
цифической разновидностью miРНК, с пре-
имущественно печеночной локализацией, ин-
терферирующей с генами БЧ является miR-141
[115]. Чрезмерная экспрессия miR-141 в злока-
чественных клетках холангиоцитов приводит
к репрессии образования CLOCK, который, в
свою очередь, является фактором, замедляющим
рост опухоли. В данном случае последствия
нарушений циркадианной ритмичности на ор-
ганном уровне связано с одним из основных
генов БЧ и сопровождается прогрессированием
злокачественного новообразования. В подобных
случаях, когда гиперэкспрессия miРНК имеет

8. УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК том 44 № 4 2013
72 ГУБИН
Некоторые ключевые молекулярно-генетические факторы, модулирующие параметры циркадианного ритма
Фактор Механизмы действия Циркадианный эффект
SIRT1 Антипод ацетилтрансферазной активности
CLOCK, препятствует транскрипции BMal1, деа-
цетилирует белки BMAL1 и PER2
Тонкая модуляция амплитуды ритмов экс-
прессии ключевых генов БЧ
JARID1α Открывает доступ CLOCK/BMAL к промотору Per2
и активирует его транскрипцию
Участие в рестарте очередного циркадиан-
ного цикла, регуляция Tcd
LARK Возможно, инициация трансляции Per1 м-РНК по-
средством взаимодействия с ее IRES
↑ трансляции PER1, ↑ образования гетеро-
димера PER/CRY
hn RNP I 1) ускорение деградации Per2 м-РНК посредством
взаимодействия с ее 3’НТО
2) инициация трансляции rev-erbα м-РНК посред-
ством взаимодействия с ее IRES
↓ скорости образования гетеродимера PER/
CRY, возможно замедление БЧ
hn RNP D ускорение деградации Cry1 м-РНК посредством
взаимодействия с ее 3’НТО
↓ скорости образования гетеродимера PER/
CRY, возможно замедление БЧ
hn RNP Q инициация трансляции м-РНК AA-NAT посред-
ством взаимодействия с ее IRES 5’НТО
↑ трансляции AA-NAT, повышение продук-
ции мелатонина сетчаткой
miR-132 разнонаправленный эффект на м-РНК Per, опо-
средованный моделированием хроматина другими
факторами
слабое сокращение Tcd (10–20 мин.)
miR-219 не изучен ↓ чувствительности к свету, ↓ амплитуды
miR-192/194 подавление синтеза белков семейства PER сокращение Tcd в тканях печени
miR-182/
miR96
м-РНК ADCY 6 и Clock способствуют синтезу мелатонина сет-
чаткой, возможно влияние на Tcd (через
CLOCK м-РНК)
miR-122 контроль синтеза белка ноктурнина – “циркадиан-
ной деаденилазы печени”
регуляция метаболических процессов в
печени
miR-141 подавление активности CLOCK ↓ амплитуды, десинхронизация метаболи-
ческих процессов в печени
miR-152/494 Пост-транскрипционная модуляция образования
BMAL посредством взаимодействия с 3’НТО ее
м-РНК в периферических тканях
тонкая регуляция параметров циркади-
анных ритмов в периферических тканях,
вероятно, и модуляция ультрадианной ди-
намики
miR-206 разнонаправленное взаимодействие с Clock стабилизация Tcd
CK 1ε Фосфорилирование и “вывод из игры” белка
PER-2
тонкая подстройка Tcd, сокращение Tcd,
ускорение хода БЧ
FBXL3 Опосредованная стабилизацией белков CRY 1, 2
модуляция образования димера PER/CRY
тонкая подстройка Tcd, удлинение Tcd, за-
медление хода БЧ
GSK 3β 1) ускорение фосфорилирования белка BMAL-1 с
последующим его убиквитинированием
2) ускорение фосфорилирования белка REV-ERBα
c последующей стабилизацией его структуры
↑ амплитуды ритма содержания белка
BMAL1
тонкая подстройка Tcd
литий ↑ транскрипции гена Per2, ↑ амплитуды осцилля-
ций гена Per2;
↑ фосфорилирования GSK 3β
↑ Tcd, компенсаторное ↑ значение Tcd – при
его ↓ на фоне маниакально-депрессивных
расстройствах
мелатонин Парадоксально, но до конца не изучены. Фазово-
зависимая модуляция активности протеинкина-
зы С и других клеточных медиаторов сигналов в
СХЯ. Синхронизация экспрессии ключевых генов
БЧ, прежде всего Bmal1 и Clock на периферии.
Опосредованная гипотермическим эффектом син-
хронизация периферических ритмов. Возможно,
модуляция характера афферентных сигналов с
периферии в контуре обратной связи с гипотала-
мусом, в т.ч. СХЯ.
Универсальный гуморальный медиатор
сигнала “ночь” в периферических тканях
и органах. Внутренняя синхронизация БЧ,
прежде всего на периферии (хронобиоти-
ческое действие). ↑ амплитуды ритмов,
косвенная модуляция Tcd.

9. УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК том 44 № 4 2013
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЦИРКАДИАННЫХ РИТМОВ 73
очевидные негативные последствия, могут стать
актуальны клинические исследования антисмыс-
ловых олигонуклеотидов, блокирующих данную
miРНК.
На уровне ряда других периферических тканей
модуляция параметров не только циркадианных
ритмов, но, по-видимому, и ряда ультрадианных
гармоник (8- и 12-часовых) может осуществ-
ляться посредством еще двух разновидностей
miРНК – miR-152 и miR-494 [145]. Особенностью
этих miРНК является бимодально ритмичные
(с наличием выраженного дневного и, отстоя-
щего от него на 8, либо 12 час вечернего, пиков)
колебания их содержания в циркуляторном русле
с дальнейшей пост-транскрипционной модуля-
цией образования белка BMAL посредством взаи-
модействия с 3-НТО его м-РНК. Любопытно, что
те фазы суточного цикла, на которые приходятся
экстремумы miR-152 и miR-494, соответствуют
акрофазе и батифазе уровня м-РНК и белка BMAL
[145]. Примечательно, что miR-494 проявила себя
как протектор ткани миокарда при его ишемии
[167]. Таким образом, существование циркули-
рующих miРНК с наличием возможных эффектов
на ткани сердца и сосудов может представлять
существенный интерес при дальнейшем изуче-
нии физиологии и патофизиологии гемодинами-
ческих процессов и их хроноархитектоники.
В сетчатке механизмы пост-транскрипцион-
ного контроля циркадианных ритмов помимо
упомянутого выше гетерогенного ядерного ри-
бонуклеопротеида hnRNP Q, задействуют также
и определенные тканеспецифические miРНК
(miR-96 и miR-182) [177]. Причем, и рибонук-
леопротеид и miРНК имеют общие мишени. Со-
держание обеих этих mi-РНК в сетчатке у мышей
имеет достоверный циркадианный ритм ночного
типа, сопоставимый по амплитуде с ритмом ос-
новного компонента БЧ – Bmal м-РНК. Акрофазы
содержания miR-182 и miR-96 синхронны и четко
привязаны к началу темного времени суток.
Возможными мишенями для miR-96 и miR-182
являются м-РНК аденилатциклазы VI (ADCY6)
и гена Clock. Примечательно, что ADCY6 явля-
ется фактором, препятствующим образованию
AA-NAT и, соответственно, синтезу мелатонина
(см. выше). ADCY6 в сетчатке имеет выраженную
циркадианную ритмичность, противофазную
miR-96 и miR-182 c батифазой в середине ночи,
примерно через 4 часа после акрофазы miR-96 и
miR-182, что также может быть объяснено воздей-
ствием данных miРНК на ADCY6 м-РНК. Таким
образом, как miR-96 и miR-182, так и hnRNP Q
косвенно способствуют продукции мелатонина
сетчаткой.
Наконец, в мышечной ткани, циркадианная
ритмичность модулируется эффектами еще одной
разновидности miR, miR-206 [184]. MiR-206 явля-
ется специфической для скелетной мускулатуры
разновидностью miРНК [149]. Транскрипция
генов miR-206 находится под контролем миоген-
ных регуляторных факторов MyoD1 и миогенина
[132], которые, в свою очередь, являются ключе-
выми элементами циркадианных БЧ в мышечной
ткани. Среди ключевых часовых генов мишенью
miR-206 служит ген Clock [63].
Интересна также роль специфического белка
ноктурнина в регуляции циркадианной ритмич-
ности на разных уровнях и, особенно в гепатоци-
тах, где примечательна его взаимосвязь с miR-122.
Свое название получил из-за приуроченности ак-
рофазы к темному времени суток. Образуется во
многих тканях, но у млекопитающих наибольшая
экспрессия достигается в печени, почках и семен-
никах [168]. В печени циркадианная активность
ноктурнина находится под контролем miR-122
[98]. Ноктурнин способен удалять полиаденили-
рованные хвостовые участки м-РНК, способствуя
деградации, либо сайленсингу соответствующих
м-РНК [57]. Эксперименты на мышах имеющих
нокаут обоих аллелей гена Noc (noc-/-) показали,
что данный белок задействован в метаболизме
липидов в печени, но не оказывает обратного
влияния на функционирование ключевых генов
БЧ [66] в данном органе. Ген Noc может быть
отнесен к числу важных ccg, а сам белок – к
принципиальным эффекторам циркадианных БЧ
на тканевом уровне [168]. Любопытны эволюци-
онные преобразования роли ноктурнина в цирка-
дианной организации биологических процессов
в ряду позвоночных животных. Так, если у ля-
гушки Xenopus laevis, у которой ноктурнин и был
впервые обнаружен [65], четкий циркадианный
ритм с высокой амплитудой свойственен только
сетчатке, то у млекопитающих циркадианная
ритмичность ноктурнина в сетчатке, напротив, не
выражена и переходит на периферические ткани
(печень, семенники, почки, селезенка, сердце)
[168]. В печени мышей амплитуда циркадианного
ритма ноктурнина особенно значительна: мак-
симальные ночные значения могут превышать
минимальные, дневные, более чем в 40 раз. При-
мечательно, что эти данные могут служить одним
из факторов, объясняющих молекулярные меха-
низмы, лежащие в основе предложенной ранее
модели развития циркадианной ритмичности на
тканевом и органном уровнях в филогенезе по-
звоночных [11].

10. УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК том 44 № 4 2013
74 ГУБИН
ПОСТ-ТРАНСЛЯЦИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Основной фермент, оказывающий значитель-
ное влияние на значение Tcd посредством пост-
трансляционного контроля путем фосфорилиро-
вания и дальнейшего убиквитинирования белков
основной петли клеточных БЧ (прежде всего
PER) – казеин киназа 1-эпсилон (caseine kinase
1ε, CK1ε). По существу, для того чтобы проявлять
свой основной физиологический эффект в каче-
стве взбадривающего по утру наши БЧ фактора,
белкам PER необходимо накапливаться темпами,
превышающими фосфорилирующую активность
CK1ε. Что, по всей видимости, имеет принципи-
альное значение в генетических механизмах фор-
мирования хронотипов человека.
Активность CK1ε регулируется по принципу
обратной связи путем фосфорилирования ее са-
мой, в котором задействованы белки криптохро-
мы – модуляторы активности белковой фосфа-
тазы PP5 (protein phosphatase 5). Саморегуляция
активности CK1ε осуществляется как в СХЯ, так
и в периферических тканях, например в фибро-
бластах, преимущественно за счет PP5 [126]. Му-
тации, понижающие фосфорилирующую актив-
ность данного фермента по отношению к белку
PER2 у хомячков [108], приводят к избыточному
его накоплению в клетке и, как следствие, к значи-
тельному сокращению циркадианного периода на
2–4 часа (Tcd = 20–22 ч.). Аналогичным эффектом
обладают миссенс мутации, меняющие структуру
самого белка PER2 у человека, снижающие темп
его фосфорилирования [159] (что наблюдается
при аутосомно доминантно наследуемом синдро-
ме раннего наступления фазы сна: familial advance
sleep phase syndrome, FASPS [90]).
В более поздних работах, другими авторами [56,
116] было показано, что мутации, затрагивающие
фосфорилирование белка PER посредством CK1ε
приводят к ускорению хода БЧ: Tcd уменьшается
до значений 20–22 ч. как в СХЯ, других отделах
головного мозга, так и в периферических тканях.
Замедление деградации другого белка негатив-
ной петли (CRY) посредством убиквитинлигазы
FBXL3, удлиняет Tcd в диапазоне 24–28 ч [62,
150], вызывая опосредованную репрессию транс-
крипции Per и Cry. Хотя по существу “совиный”
FBXL3 действует как противовес “жаворонково-
му” CK1ε, в целом белки CK1ε и FBXL3 обладают
независимыми друг от друга самостоятельными
эффектами на Tcd [112].
Еще одним фактором пост-трансляционного
контроля БЧ, прежде всего на периферии, явля-
ется фермент GSK3β (киназа гликоген-синтазы
3β), обеспечивающая фосфорилирование клю-
чевого белка BMAL1, обрекая его на дальней-
шее убиквитинирование в протеосомах [141].
По-видимому, за счет данного взаимодействия
GSK3β, регулируется величина амплитуды рит-
ма образования ключевых белков БЧ. Так, при
дефиците образования GSK3β, амплитуда ритма
BMAL1 снижается, Tcd при этом практически не
изменяется. Однако, GSK3β все же может быть
задействована и в подстройке значений Tcd, что,
по-видимому, реализуется через участие GSK3β
в фосфорилировании REV-ERBα [179], при этом
последний белок стабилизируется, а не дегради-
рует. Действительно, при угнетении GSK3β по-
средством, например, малых интерферирующих
РНК (siРНК), циркадианный период существенно
укорачивается (Tcd < 24 ч.), что является мимик-
рией фенотипа rev-erbα-/- [84] (отсутствия функ-
ционального гена rev-erbα). Также GSK3β участ-
вует и в фосфорилировании белков негативного
звена основной петли БЧ – PER2 и CRY2, проявляя
свою активность в СХЯ, а также клетках печени и
фибробластах [87, 141].
В одной из последних работ исследованы меха-
низмы модуляции амплитуды и фазы экспрессии
ключевых генов, опосредованные участием ли-
тия [104], вещества с давно известными цирка-
дианными эффектами на Tcd [21, 92, 97]. Литий
широко используется в терапии маниакально-
депрессивных расстройств психики, которые
сопровождаются прежде всего положительным
смещением фазы (на ранние часы) и сокращени-
ем периода БЧ, Tcd [77, 103], в то время как литий
увеличивает значение Tcd, также смещая и фазу
ритмов на более позднее время [97]. Литий прояв-
ляет активность по отношению к циркадианным
БЧ в различных тканях млекопитающих, в том
числе в СХЯ, оказывая стимулирующее воздей-
ствие на транскрипцию гена Per2 и увеличивая
амплитуду осцилляций последнего [104]. Некото-
рые из указанных в данной работе эффектов лития
могут быть опосредованы его прямым взаимодей-
ствием с GSK3β, выражающимся в активизации
фосфорилирования GSK3β и ингибировании ее
активности [92,179].
Особую роль в регуляции циркадианной си-
стемы на различных ее уровнях играет основной
нейрогуморальный фактор БЧ – мелатонин. Ме-
латонин [80, 156–157], наряду с пероксиредок-
синами [52] в настоящее время рассматривается
как древнейший фактор эволюции циркадианной
системы живых организмов в целом. Причем и в
том и в другом случае речь идет о первичной роли
развития системы адаптации и противостояния
свободно-радикальным механизмам в фотоперио-

11. УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК том 44 № 4 2013
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЦИРКАДИАННЫХ РИТМОВ 75
дических условиях. В многочисленных работах,
направленных на изучение участия мелатонина в
работе ключевых генов БЧ на различных этапах
их экспрессии в СХЯ и периферических тканях
были получены данные, которые вряд ли могут
быть уложены в некую простую умозрительную
модель. Спектр возможных влияний мелатонина
на регуляцию ключевых генов БЧ и ccg весьма
многообразен, иерархичен и, вероятно, специ-
фичен для различных тканей и органов. Причем
механизмы такого влияния могут, как задейство-
вать мелатониновые рецепторы клетки MT1, MT2
и, возможно, МТ3; так и обходится без этого, по-
скольку известно, что обладающий липофильно-
стью и малыми размерами мелатонин, способен
проникать как в цитоплазму, так и в кариоплазму
без помощи рецепторов [46, 79, 81]. По последним
данным, местные эффекты мелатонина на клеточ-
ном уровне задействуют крайне разнообразные
механизмы: фосфорилирование и дефосфорили-
рование аденозина; открытие калиевых каналов;
опосредованное взаимодействием с C-белком,
ингибирование аденилатциклазы; участие в Ca2+
-
зависимых процессах; метаболизм арахидоновой
кислоты и регуляцию активности протеинкиназы
C [46, 80–81].
В отношении непосредственного взаимодей-
ствия мелатонина с ядерными рецепторами RZR/
ROR данные различных авторов также остаются
неоднозначными. Если в СХЯ взаимодействие
мелатонина с этими рецепторами, по всей види-
мости, не играет принципиальной роли в регуля-
ции основного клеточного механизма БЧ, то тако-
вая его роль в pars tuberalis гипофиза не вызывает
сомнений [22, 89]. Затрудняет прогресс науки в
данном направлении и тот факт, что, по-видимо-
му, не все формы ROR способны взаимодейство-
вать с мелатонином, или же такое взаимодействие
зависит от димеризации рецепторов с некими до-
полнительными транскрипционными факторами
[80–81].
Хотя в СХЯ гипоталамуса и присутствуют в
значительном количестве рецепторы MT1 и MT2,
механизмы и физиологическая значимость эффек-
тов мелатонина на экспрессию генов БЧ в нейро-
нах СХЯ остаются предметом дискуссий. По всей
видимости, мелатонин все же принимает участие
в регуляции транскрипции генов БЧ в СХЯ, но его
влияние отсрочено во времени и, скорее всего,
опосредовано пост-трансляционными механиз-
мами [22, 128]. Также, по нашему мнению, нельзя
исключать возможность существования особой и
пока неизученной роли мелатонина в модуляции
характера, скорости и фазы центростремитель-
ных сигналов с периферии.
Так, было показано, что на вторые (но не на
первые!) сутки после инъекции мелатонина, в
СХЯ крыс наблюдается сдвиг фазы экспрессии
генов Per1 и Per3 соответственно на 50 и 42 мин
позднее. При этом происходит снижение ампли-
туды экспрессии Per3 м-РНК, на фоне роста сред-
несуточной экспрессии BMal1 м-РНК [128]. Та-
кая отсрочка эффекта мелатонина на экспрессию
ключевых генов БЧ в СХЯ является его примеча-
тельной особенностью, если учесть, что свету и
другим нефотопериодическим синхронизаторам
для этого, как правило, требуется всего 2 часа
[35]. У крыс, подвергнутых удалению эпифиза,
опять же не сразу, но в течение 3-х месяцев разви-
вается выраженная внутренняя десинхронизация
ритмов экспрессии Per1 и Per2 м-РНК и сниже-
ние амплитуды ритма экспрессии rev-erbα [22].
Однако, добавление мелатонина в питьевую воду
всецело компенсирует внутренний десинхроноз
между экспрессией Per1 и Per2 м-РНК. В этой
связи особый интерес представляют данные
Yamazaki [178], где было показано, что если для
ресинхронизации СХЯ требуется лишь 6 час, то
для ресинхронизации процессов в перифериче-
ских тканях может потребоваться около недели.
Возможно, это еще одно косвенное свидетельство
того, что ведущей ролью мелатонина все же явля-
ется проведение эфферентной информации и тон-
кая подстройка фазы ритмов в периферических
тканях. Еще один ключевой механизм синхро-
низации периферических процессов может быть
опосредован гипотермическим эффектом мела-
тонина [72], четкими противофазовыми отноше-
ниям ритмов температуры и мелатонина [131],
позволяющие использовать оба этих показателя
как маркерные ритмы, особенно в свете того, что
в одной из последних работ продемонстрирована
универсальная роль ритма температуры в синхро-
низации циркадианных ритмов в периферических
тканях [37].
Отчетливый “острый” эффект мелатонина на
СХЯ состоит в угнетении электрической актив-
ности нейронов и сдвиге фазы ее циркадианно-
го ритма [107]. Последний эффект опосредован
активацией протеинкиназы C [49], также как и
участие мелатонина в регуляции продукции гона-
дотропин-рилизинг-факторов [94].
Протеинкиназа С, в СХЯ имеющая циркади-
анную ритмичность с акрофазой в ночное время
[137], является еще одним немаловажным звеном
в пост-трансляционной регуляции генов БЧ и во-
влечена как в механизм активации белка CLOCK
(посредством чего осуществляется ресинхрони-
зация циркадианных клеточных часов) [147], так
и в регуляцию Tcd в клетках фибробластов путем

12. УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК том 44 № 4 2013
76 ГУБИН
фосфорилирования BMAL1 [138]. Таким образом,
наиболее вероятно, что влияние мелатонина на
функцию ключевых генов позитивного звена БЧ в
СХЯ опосредовано активацией протеинкиназы C.
Взаимодействие мелатонина и протеинкиназы C в
СХЯ, в свою очередь, опосредовано рецепторами
MT2. Примечательно, что мелатонин способен
оказывать не только потенцирующее, но и инги-
бирующее действие на активность протеинкиназы
C в СХЯ in vitro в зависимости от стадии циркади-
анного цикла [137]. Хронозависимое взаимодей-
ствие мелатонина с протеинкиназой Cα было обна-
ружены и в периферических тканях [142]. В свою
очередь, сама протеинкиназа С может обладать
способностью к инактивации MT-рецепторов [60],
за счет чего может быть создан контур обратной
связи. Действительно, хотя разнонаправленный,
в зависимости от времени суток и циркадианной
фазы, эффект мелатонина на модуляцию различ-
ных физиологических процессов известен давно
[76,143], молекулярные механизмы данного фено-
мена остаются малоизученными.
Кроме того, мелатонин, по-видимому, прояв-
ляет наибольшую хронобиотическую активность
в условиях уже имеющихся нарушений в цирка-
дианной системе или существующих проявлений
десинхроноза. Например, возрастного, или внеш-
него – при смене часовых поясов, либо при фено-
типах с существующей генетической мутацией со
стороны генов БЧ [28,72,140,148].
Особый интерес представляет недавняя работа,
в которой была продемонстрирована способность
эндогенно продуцируемого мелатонина компен-
сировать присущее гетерозиготным линиям мы-
шей, несущим мутацию Clock/+, увеличение сво-
бодно-текущего Tcd, чего не наблюдается у линий
мышей с Clock/+, но не продуцирующих мелато-
нин вследствие эндогенного дефицита ключевых
ферментов его биосинтеза. Культивирование экс-
плантата СХЯ от данной линии мышей с добавле-
нием мелатонина имело аналогичный эффект на
Тcd ритма биолюминесценции [148].
В периферических тканях и органах наиболее
типичным является участие мелатонина в модуля-
ции экспрессии Per2 и Bmal1 синхронизирующе-
го типа. В частности были продемонстрированы:
способность мелатонина видоизменять фазовые
взаимоотношения ритмов экспрессии Per2 и
Bmal1 м-РНК в надпочечниках эмбрионов крыс
[160] и взрослых приматов [163]; участие мелато-
нина в настройке фазы ритмов экспрессии Per2 и
Bmal1 в кардиомиоцитах крыс, не опосредованное
привлечением СХЯ [182]; ресинхронизация рит-
мов экспрессии Per2 и одного из принципиаль-
ных ccg, Dbp и восстановление среднесуточного
уровня продукции BMal1 и Per2, нарушенных
в злокачественных клетках простаты человека
[91]; эффективность мелатонина в восстановле-
нии утраченных в опухолевых клетках молочной
железы MCF-7 ритмов экспрессии Per2 и Bmal1
после сывороточного шока [176]. Кроме того, в
коре надпочечников мышей, продуцирующих ме-
латонин (C3H), наблюдаются высокоамплитудные
ритмы часовых белков BMAL, PER1 и CRY2, тогда
как у линий мышей с дефицитом продукции мела-
тонина (C57BL) эти ритмы характеризуются резко
сниженной амплитудой и средним уровнем [161].
Таким образом, важнейшая роль мелатонина
в поддержании синхронного ансамбля циркади-
анных ритмов в периферических тканях сегодня
является несомненной. Разнообразные процессы,
вызывающие угнетение естественной продукции
эндогенного мелатонина следует рассматривать
как одни из главных факторов риска развития де-
синхронизации биологических процессов. Нель-
зя не отметить, что использование даже вполне
обычного электрического освещения способно
угнетать продукцию эндогенного мелатонина [64].
Поэтому следует особо выделить относительно
малоизученную, но заслуженно привлекающую к
себе все большее внимание, проблему “светового
загрязнения” (light at night, “LAN”) [2–3, 25, 130,
154, 175]; сменного и вахтового режимов труда,
а также работы в условиях фотопериодических
особенностей Крайнего Севера [5–8].
Противоречивость данных о взаимодействии
мелатонина с рецепторами и модуляции транс-
крипции ключевых генов БЧ, в частности на
уровне СХЯ, может быть обусловлена, во-первых,
генетическим полиморфизмом, во-вторых – пре-
обладанием роли пост-трансляционных механиз-
мов и, наконец, зависимой от циркадианной фазы
модуляцией разнонаправленного афферентного
сигнала с периферии. До сих пор остается до кон-
ца нереализованной потребность в дальнейшем
изучении молекулярных механизмов участия
мелатонина в синхронизации разнообразных про-
цессов в периферических тканях [81].
ФОРМИРОВАНИЕ
ЭКСТРАЦИРКАДИАННОЙ
ДИССЕМИНАЦИИ – ОДНОГО
ИЗ НАИБОЛЕЕ ОБЩИХ ПРОЯВЛЕНИЙ
ДЕСИНХРОНОЗА
В динамической модели, предложенной в од-
ной из последних работ [184], продемонстриро-
вана необходимость наличия всех ключевых фак-